Основні інструменти для свердловин: Вичерпний посібник з класифікації та застосування шарошечкових та алмазних доліт

01 Роликові шарошки: універсальні інструменти для адаптації до пластів

З моменту своєї появи в 1909 році, шарошечні долота стали найпоширенішим типом долота в роторному бурінні. Їхня унікальна багатошарова конструкція дозволяє їм адаптуватися до різних умов пласта, від м'яких до надзвичайно твердих.

Структурний склад та основні технології

Шарошечне долото складається з п'яти основних компонентів:

• Корпус долота: три конічні ніжки, зварені разом, з різьбленням у верхній частині.
• Роликові конуси: конічні металеві тіла з фрезерованими зубцями або вставними зубцями на поверхні.
• Система підшипників: складається з чотирьох комплектів підшипників: великих, середніх, малих та опорних.
• Насадки: зазвичай 3-4 штуки, діаметром 7-14 мм.
• Система зберігання та герметизації олії: гумові або металеві ущільнювальні кільця в поєднанні з пристроями компенсації тиску.

Серед них технологія герметизації підшипників є ключовим технологічним проривом для шарошкових доліт. Сучасні долота використовують систему компенсації тиску накопичення оливи, яка підтримує динамічний баланс між тиском оливи в порожнині підшипника та тиском у стовпі бурового розчину в свердловині за допомогою таких компонентів, як отвори для передачі тиску, діафрагми для компенсації тиску та масляні чашки.

Система класифікації та кодування IADC

Міжнародна асоціація бурових підрядників (IADC) розробила глобально єдиний стандарт класифікації шарошечкових доліт, використовуючи тризначну систему кодування:

Перша цифра: Тип зуба та відповідна форма

1: Фрезеровані зуби, м'які утворення

2: Фрезеровані зубці, форми середньої та середньої твердості

3: Фрезеровані зуби, тверді та абразивні утворення

5: Вставні зуби, м’які та середні формації

6: Вставні зубці, форми середньої твердості

7: Вставити зуби, тверді та абразивні утворення

8: Вставні зубці, надзвичайно тверді та високоабразивні утворення

Друга цифра: Підрозділ твердості формації (клас 1-4; більші числа вказують на твердіші формації)

Третя цифра: Структурні характеристики біта

4: Герметичні роликові підшипники

6: Герметичні підшипники ковзання

7: Герметичні підшипники ковзання + захист вставних калібрів

8: Відхиляючі долота для спрямованого буріння

Спрощена система класифікації IADC для шарошечних доліт

Механізм руйнування гірських порід та характеристики руху

Під час роботи шарошечне долото демонструє три типи складеного руху:

• Обертання: Конуси обертаються за годинниковою стрілкою разом з усім долотом.
• Обертання: Зуби обертаються проти годинникової стрілки навколо осі конуса.
• Ковзання: включаючи радіальне та тангенціальне ковзання.

Цей складений рух досягає подвійного ефекту руйнування гірських порід:

1.Ефект ударного роздавлювання: Поперемінний контакт одинарних і подвійних зубців з нижнім отвором генерує поздовжню вібрацію, створюючи ударні навантаження.

2.Ефект ковзного зсуву: Зсув гірських порід досягається завдяки проектуванню нависаючих, подвійних конусних та зміщених конструкцій.

Стратегія вибору та узгодження формацій 

Основні принципи вибору шарошечкових доліт на основі властивостей гірських порід:

• М’які формації: Вибирайте долота зі зміщеною, виступаючою та подвійною конусною структурою, оснащені високими, широкими та рідко фрезерованими або вставними зубцями.
• Формування середньої твердості: зменште значення зміщення, вильоту та подвійного конуса; використовуйте короткі, вузькі та щільні зубці.
• Тверді та абразивні утворення: Використовуйте одноконічні ролики без виступу або зміщення, оснащені кульковими або конічними кульковими зубцями.
• Формації, схильні до прогину: вибирайте долота з короткими зубцями без зміщення або з невеликим зміщенням та без калібрувальних зубців.
• Перешарові м’які та тверді формації: Вибір типів доліт на основі твердішої породи та динамічне налаштування параметрів під час буріння.

Реакція на особливі умови праці

• Малі свердловини (<177 мм): Використовуйте однороликові конусні долота, які мають більші конуси, зубці та підшипники для більшої міцності.
• Спрямоване буріння: виберіть спеціальні відхиляючі долота з третьою цифрою коду IADC, що дорівнює 8. 

02 Алмазні долота: Потужні інструменти для твердих формацій 

Як найтвердіший матеріал у природі, алмаз має твердість за шкалою Мооса 10-го класу, міцність на стиск до 8800 МПа та зносостійкість у 9000 разів більшу, ніж у сталі. Використовуючи цю властивість, алмазні долота стали найкращим інструментом для роботи з твердими формаціями.

Система класифікації та технологічна еволюція

Сучасні алмазні долота в основному поділяються на три типи:

1.Алмазні долота з поверхневим натягом

• Алмазні частинки оголюються на поверхні матриці.
• Підходить для середньо-твердих та твердих формацій.
• Класифікація розмірів частинок алмазу:
• М'які утворення: 2 зерна на карат (gpc) (розмір частинок приблизно 4 мм)
• Середньотверді утворення: 3-4 гпк (розмір частинок приблизно 3,6 мм)
• Тверді утворення: 10-15 гпк (розмір частинок приблизно 2,0 мм)

2.Просочені алмазні долота

• Алмази просочуються всередину матриці (60-400 гпк).
• Підходить для твердих та абразивних утворень (наприклад, кремінь, крем'янистий доломіт).
• Самозаточування алмазів досягається завдяки зносу матриці.

3.PDC-доли (компактні полікристалічні алмазні доли)

• Вперше представлений компанією General Electric (GE) у Сполучених Штатах у 1973 році.
• Компактна структура: алмазний шар + твердосплавна підкладка.
• Підходить для м'яких та середньо-твердих однорідних утворень.

Структурний дизайн та основні параметри

Алмазні долота мають цілісну конструкцію без рухомих частин, зокрема:

• Сталевий корпус: Виготовлений із середньовуглецевої сталі, з різьбленням у верхній частині.
• Матриця: порошок карбіду вольфраму + зв'язувальний метал на основі міді, з твердістю HRC 30-45.
• Ріжучі елементи: Натуральні/синтетичні алмази або компактні сплави PDC.
• Гідротехнічна споруда: Водотоки та русла (радіальні, спіральні тощо).

Ключові параметри проектування

• Концентрація алмазів: регулюється залежно від абразивності формації; вища концентрація для більш абразивних формацій.
• Висота виступу:
• М'які утворення: 1/3 розміру частинок
• Тверді утворення: 1/6-1/10 розміру частинок
• Форма губ:
• Плоскодонний: Для однорідних утворень
• Вигнутий: Для твердих формацій
• Зубчастий: Для абразивних утворень

Механізм руйнування гірських порід та реакція формації

Метод руйнування гірських порід алмазними долотом залежить від властивостей пласта:

Пластичні утворення (наприклад, аргіліт, гіпс): Подібні до процесу «оранки»; алмази проникають у формацію, викликаючи пластичний потік породи.

Крихкі утворення (наприклад, кварцовий пісковик): утворюються об'ємні ямки дроблення з розмірами різання, що в 2-4 рази перевищують виступання алмазів, що призводить до високої ефективності.

Тверді породи (наприклад, кремінь, кремнієва порода): використовуються просочені долота, а руйнування породи досягається за допомогою мікрорізання та дряпання, подібно до стирання шліфувальним кругом.

Технічні переваги та обмеження PDC-біт

Як революційний продукт у сімействі алмазних доліт, долота PDC мають унікальні переваги:

Структурні особливості

Сталеві корпусні PDC-біти: Цілісна середньовуглецева сталь з поверхневим гартуванням.

Матричний корпус PDC-бітів: верхній сталевий корпус + нижній карбід-вольфрамова матриця, що забезпечує кращу продуктивність.

Дизайн профілю

Параболічний: Для м'яких формацій, що забезпечує високий прохідний метраж та швидкість буріння.

Круглий: Для свердління на обертовому столі, що полегшує проникнення у тверді проміжки.

Конічний: Для високошвидкісного свердління з гарною проникністю.

Обмеження застосування

Не підходить для гравійних формацій та перешарових м'яко-твердих формацій.

Межа температурної стійкості (знос посилюється вище 350℃; руйнування міцності відбувається при 700℃).

Погана ударостійкість; можливе відколювання країв нових свердл.

Порівняльна таблиця застосовних формацій для алмазних доліт

03 Науковий посібник з відбору: відповідність формацій та експлуатаційних вимог

Золоті правила вибору роликового шарошку

Узгодження твердості формації

М'які формації: вибирайте долота з великим зміщенням, вильотом та подвійною конусністю, оснащені клиноподібними або ложкоподібними зубцями.

Тверді формування: Використовуйте одноконічні, незміщені структури, оснащені кульовими або конічно-кульовими зубцями.

Реакція на абразивність

Для абразивних утворень використовуйте вставні фрези з калібрувальними зубцями.

Якщо зуби зовнішнього ряду закруглені, а середні зуби мають незначний знос, наступний різець слід розробити з посиленим захистом калібру.

Контрзаходи для особливих умов праці

Формації, схильні до прогину: вибирайте долота з короткими зубцями без зміщення або з невеликим зміщенням; адаптивність формації повинна бути трохи м'якшою, ніж фактична формація.

Перешарові м’які та тверді формації: Вибирайте долота на основі твердішої породи та динамічно регулюйте параметри під час буріння.

Буріння глибоких ділянок свердловин: використовуйте долота з великою загальною довжиною, щоб компенсувати втрати часу спуску.

Стратегія вибору алмазних доліт

Застосовувані умови для бітів PDC

Оптимальні сценарії: Довгі однорідні м'які та середньо-тверді утворення (наприклад, сланець, аргіліт, гіпс).

Заборонені сценарії: гравійні формації, прошарки кременю, прошарки м'яко-твердих формацій.

Налаштування параметрів: низький WOB (30-60 кН), високі оберти (100-300 об/хв), велика швидкість потоку.

Застосовувані умови для свердла з природних/синтетичних алмазів

Тверді до надзвичайно твердих утворень (наприклад, граніт, кварцовий пісковик).

Високоабразивні утворення (наприклад, кремінь, крем'янистий доломіт).

Буріння турбін, глибокі/надглибокі свердловини та операції з відбору керна.

Спеціальні вимоги до коронок

Роликові конічні коронки: конструкція з чотирма роликами (конічна/циліндрична) або шістьма роликами (повністю циліндрична).

Алмазні коронки: Вимагають симетрично розподілених ріжучих кромок з однаковою зносостійкістю.

Ключовий показник: Концентричність між внутрішнім отвором і зовнішнім колом, щоб уникнути овалізації сердечника.

Оцінка та обробка аномалій свердловини

Ідентифікація робочого стану роликового конусного долота

Пошкодження підшипника: Періодичні тряски поворотного столу, що погіршуються при високому навантаженні, знижена швидкість буріння, але нормальний тиск насоса.

Втрата конуса: Сильне заїдання буріння, різке коливання індикатора ваги, зміна глибини спуску під час підтягування бурильної колони.

Знос зубів: Зменшене навантаження на обертовий стіл, відсутність тряски, значне зниження швидкості свердління.

Табу щодо використання алмазних свердл

Перед спуском долота в свердловину забій необхідно очистити, щоб переконатися, що там немає металевих залишків.

Почніть буріння з малим долотом на долото та низькими обертами для «обкатки» (підготовка вибою свердловини на глибину 0,5 м).

Уникайте розсвердлювання; за необхідності використовуйте низькі оберти на долото та низькі оберти для рівномірної роботи.

Контакт:Джессі Чжоу
Мобільний/Whatsapp:+0086-18109206861
Веб:www.landrilltools.com